华中科技大学硕士学位论文索膜结构动力松弛法的研究与改进姓名：陆鉴恒申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：金康宁20060401华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 索膜结构是一种新颖的空间张力结构，由于其造型美观、结构效率高、空间跨度大，近年来得到了迅速的发展和日益广泛的应用。如何有效、准确地对索膜结构进行找形分析和受荷分析是目前索膜结构设计分析的核心。在目前已有的分析方法中，动力松弛法由于其将曲面离散为点，将静力问题转化为动力平衡问题，很好的解决了非线性分析问题， 而且算法简单， 精度可靠， 是目前分析索膜结构较为有效、易行的方法。因此，本文就动力松弛法理论进行了研究。 论文首先概述了索膜结构的特点以及现有的分析方法和研究现状，并介绍了传统动力松弛法的基本理论，以及单元划分方法。然后，应用动力松弛法对索网、膜、索膜结构进行找形分析，并对算法的两个参数t、/S M进行研究，得出参数取值的含义与收敛范围，而且得到另外一个影响迭代性能的参数平衡初始速度。经过理论分析及推导，本文提出了简化参数方法，将原来双参数简化为单参数，使计算简化。算法用 ANSYS 二次开发实现，充分利用其曲面模拟能力，减小动力松弛法迭代计算次数，提高计算效率，而且其图形介面友好，能实时显示迭代过程节点的空间位置，便于观察与程序调试。对多个算例计算、分析比较得出：改进的简化方法计算精度可靠，迭代稳定；膜结构初始平衡状态与初始预拉应力无关；索膜结构初始平衡状态与索、膜预拉应力比值密切相关等结论。最后在找形分析基础上，应用动力松弛法对膜结构进行受荷分析， 经算例分析得出： 初始预拉应力、 矢跨比、边界约束等对膜结构在荷载作用下变形有着重要影响。 参数简化的动力松弛法是对传统动力松弛法的改进，而计算迭代次数比原来提高不多，因此，本方法值得尝试与进一步研究改进。同时自编程序针对算例编写，不同类型结构、 边界约束需要对程序进行修改， 所以， 程序的通用性以及与 ANSYS的整体性有待进一步提高。 关键词：关键词：索膜结构 动力松弛法 参数简化 ANSYS 二次开发 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II ABSTRACT Being a new kind of special tension structure, cable-reinforced membrane structures are universally accepted and developed rapidly during the past decades for its fully and aesthetical variation, high structure efficiency and long span. Efficient and accurate analysis of form-finding and load-behavior is the kernel part of cable-reinforced membrane structures design. Among the current analyzed method, dynamic relaxation method used a linear way to solve the nonlinear process, the accurate and reliable equilibrium surface can be obtained by a simple algorithm. So this thesis focuses on the dynamic relaxation method. Firstly, in this thesis the characteristics of cable-reinforced membrane structures and the current analysis methods were discussed and the basic theories of traditional dynamic relaxation method were introduced in detail. After proceeding the form-finding analysis with the dynamic relaxation method and studying two parameterst,/S M in the algorithm, meanings of these parameters and their convergence range were defined, and the other parameter influence the iterate performance was found initial velocity. Through theory analyze and deduce, parameters simplification was promoted, by synthesizing the two parameters into single parameter, the algorithm calculate simply. With the assistance of ANSYS surface approximate ability, fulfill the algorithm by ANSYS programming can decrease the iteration dramatically. Moreover, the friendly Graphical User Interface can display the real time location of every node, that make the observation and programming very convenient. Then, by calculating several examples and comparing the results, some conclusions were obtained: The improved simplified method was accurate enough, and the iteration was stable; the form-finding process of membrane structures was independent with the initial stress; the equilibrium surface of cable-reinforced membrane structures is correlative with the stress ratio of cable and membrane. Finally, on the basic of form-finding, process the load analysis on membrane structures with dynamic relaxation method, conclusions can be obtained by examples: initial stress, ratio of rise to span and boundary restraint influence the deformation of 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIImembranes under load. Parameters simplification of dynamic relaxation method is an improvement of the traditional method, and the increment of iteration is so small that this promoted method is worthy of further studying. Meanwhile, for convenient, the programs versatility and the entirety with ANSYS should be improved. Key Words：Cable-reinforced membrane structures Dynamic relaxation method Parameter simplification ANSYS programming 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 索膜结构是轻型空间结构的一个重要分支，是建筑与结构完美结合的结构体系。它的历史可以从古老的原始帐篷说起，它作为一种临时建筑并没有被人们所重视。只有在近几十年未，尤其是美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯(PTFE，商品名称 Teflon，1938)为涂层的玻璃纤维织物作为膜材料以后，索膜结构的应用得以迅速发展1。它是用高强度柔性薄膜材料、张拉体系、支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其结构效率极高、良好的力学特性、造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、光学、热学性能优、成本低、使用安全等优点，使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、人口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。如美国亚特兰大市佐治亚体育馆(Georgia Dome)是一个空间桁架，屋顶为 240m x 192m的椭圆形，是同类索膜结构中世界上最大的(图 1-1)；英国格林威治千年穹顶(Millennium Dome)， 穹顶周长为 1km， 直径 365 m， 中心高度为 50m， 它由超过 70km的钢索悬吊在 12 根 100m 高的钢桅杆上(图 1-2)；美国新丹佛国际机场(Denver International Airport)，是目前唯一的一个完全封闭式的张拉膜结构体系，它是由一系列类帐篷单体组成，柱跨 115m，长度 305m，覆盖面积约 35000m(图 1-3)。我国建成了如上海体育场(图 1-4)、上海虹口足球场等大型的索膜结构工程项目，这些结构的索膜结构部分大都是由国外设计的。近年来国内自主设计、安装的大型索与膜结构工程也越来越多，技术条